DIRECTX中独占模式与窗口模式的切换(2.1)

鼯鼠

介绍
这是关于DIRECTX中窗口模式系列文章的第二篇,这里我将向你展示如何加强以前那些函数的功能,以及提高游戏在两种模式下的响应与外观.我会用到之前创建的函数与变量,所以你最好先看看第一篇文章
本文将涉及:窗口,Windows坐标系统,改变主窗口大小以适应其相应模式,还有就是多线程理论与性能.当你读完本文后,你将有足够的知识把你的只有独占模式的游戏改装成可切换模式的游戏
窗口与WINDOWS坐标系统
之前我只是花了一点时间让我们的程序能运行起来,但是现在,我们深入的研究一下了,屏幕坐标以屏幕左上角为(0,0),当你向屏幕右下角移动时递增.x,y坐标的最大值分别为屏幕的宽度与高度.直观起见,我把我的桌面缩小后拷在下面,图中的黑色矩形框就是屏幕坐标区域(我在里面放了个X以便于辨认)

屏幕坐标


客户区坐标以客户区左上角为(0,0)点,向客户区右下角移动时递增.我同样也放了一张图,现在窗口客户区被包在了黑框里:

客户区坐标


你可以看到,屏幕坐标可以标识整个屏幕,而客户区坐标只能访问某个窗口区域,因此,你用CreateWindow()参数设定一个窗口的位置时,用的是屏幕坐标,而当你响应WM_PAINT消息作图时,用的是客户区坐标,因为你只需要在窗口中画,而不用管它在屏幕中的位置.换句话说,屏幕坐标是绝对的,而客户区坐标是相对的(相对于窗口位置,
你可能要经常在屏幕坐标与客户区坐标间转换,WINDOWS为此提供了两个非常有用的函数: ScreenToClient() and ClientToScreen().,它们都以原坐标系的一个点坐标为参数,并返回这个点在相对坐标系中的坐标点.DIRECTDRAW总是使用屏幕坐标系(绝对坐标系),因为你可以对整个屏幕作图.
最后,窗口的窗户区并不总是一样大的,当你声明了窗口左上角在屏幕上的坐标及窗口宽度和高度后,用CreateWindow()函数创建这个窗口.但是标题栏, 菜单,工具栏,状态栏等也要占据一些空间.所以同样大小的窗口在窗口设置不同的电脑上客户区的大小不尽相同,例如标题栏的字体大小不同.要算出出所有的差异几乎是不可能的.幸好,在WINDOWS下要得到精确的客户区大小度不是很难.
首先,我们用CW_USEDEFAULT常量代替x,y坐标与窗口宽高来创建一个默认大小的窗口,然后,我们用我们需要的窗户区大小减去默认的客户区大小,再把原默认窗口的大小加上/减去这个差值,简单吧?为了方便使用,我们用一个函数把所有要做的封装起来,然后再调用它:

RECT CalculateWindowRect(HWND hWndToAdjust, SIZE szDesiredClient);

这个函数以我们要调整的窗口的句柄和预期的客户区大小(SIZE型)为参数,算出新的窗口矩形并返回之.现在让我们来实现这个函数吧(如果你一开始看不懂,不要担心,先跳过去,当我们讨论了它的细节后再回来看看):
RECT CalculateWindowRect(HWND hWndToAdjust, SIZE szDesiredClient)
{
// declare a RECT to hold the results of our calculations
RECT rcDesiredWindowRect;
ZeroMemory(&rcDesiredWindowRect, sizeof( rcDesiredWindowRect ));

// get the current window rect and its client rect
RECT rcCurrentWindowRect;
RECT rcCurrentClientRect;

GetWindowRect(hWindow, &rcCurrentWindowRect);
GetClientRect(hWindow, &rcCurrentClientRect);

// get the difference between the current and desired client areas
SIZE szClientDifference;

szClientDifference.cx = (rcCurrentClientRect.right - szDesiredClient.cx);
szClientDifference.cy = (rcCurrentClientRect.bottom - szDesiredClient.cy);

// get the difference between the current window rect and the desired
// desired window rect
rcDesiredWindowRect.left = rcCurrentWindowRect.left;
rcDesiredWindowRect.top = rcCurrentWindowRect.top;
rcDesiredWindowRect.right = (rcCurrentWindowRect.right - szClientDifference.cx);
rcDesiredWindowRect.bottom = (rcCurrentWindowRect.bottom - szClientDifference.cy);

return rcDesiredWindowRect;
}
好多代码啊!理解它的最好方法莫过于在调试器中单步执行来观察各个变量值的变化,以便了解这些计算和真正意义.现在我们有了个相对简单的函数,在那里使用它呢?当然是在我们可信的SwitchMode函数中了当我想在切换模式前改变窗口大小时,这个函数就起作用了.但最好再加一个改变窗口大小的函数,那样的话,. SwitchMode函数就更具可读性了,声明如下:
void AdjustMainWindow(bool bExclusive, int nScreenWidth, int nScreenHeight);
这年起来就像一个WINDOWS API函数,但之后我会给这个函数添加一些独特的功能.现在我们来看看这个函数:
void AdjustMainWindow(bool bExclusive, int nScreenWidth, int nScreenHeight)
{
// hide the window while we're working...
ShowWindow(hMainWnd, SW_HIDE);

if( bExclusive )
{
// exclusive mode code
}
else
{
// windowed mode code

// calculate the new window rect
SIZE szDesiredClient;

szDesiredClient.cx = nScreenWidth;
szDesiredClient.cy = nScreenHeight;

RECT rcNewWindowRect = CalculateWindowRect(hMainWnd, szDesiredClient);

// resize the window according to the new rect
MoveWindow(hMainWnd, rcNewWindowRect.left, rcNewWindowRect.top,
(rcNewWindowRect.right ?rcNewWindowRect.left),
(rcNewWindowRect.bottom ?rcNewWindowRect.top), true);
}

// unhide the window now that we're done with it
ShowWindow(hMainWnd, SW_SHOW);
}
我们一开始就隐藏了窗口以防止在完成所有设置前不断重绘而引起混乱.(这些变化是完全可见的,不信你去掉ShowWindow函数看看). if()语句用来判断不同的模式,在独占模式下,我们不用调整窗口大小;而对于窗口模式,我们必须改变窗口大小.首先,创建一个SIZE型的临时变量来存放新的客户区的宽与高,然后把它和主窗口句柄一起传给CalculateWindowRect以得到新窗口的矩形.然后把它传给MoveWindow函数以重置窗口大小,再调用ShowWindow重绘窗口(因为现在我们已完成所有设置了).(在这里显示窗口会自动重绘标题栏及其它窗口元素)
现在我们来测试一下,把下面代码加到SwitchMode函数中, 放在DestroySurfaces a和CreateSurfaces之间

// resize the main window抯 client area
AdjustMainWindow(bool bExclusive, nWidth, nHeight);

变量nWidth和 nHeight 是SwitchMode的第二,三个参数,所以你可以这样:

// DX changes the window size to *0x480 automatically here
SwitchMode(true, *0, 480, 16);
// and this adjusts the windows?client area (where we’ll draw!) to *0x480, also
SwitchMode(false, *0, 480, 16);

我们传给SwitchMode的width 和height只表明了我们所需的绘图页的大小.与全屏(独占)或窗口模式无关.它们现在完成一样的功能!(当然,不包括位深(bit-depth),我们不能,也不应该在窗口模式下改变它)

鼯鼠

让主窗口更加完美
还记得我说过要在AdjustMainWindow函数中加些优雅的技巧?好,我们现在就做.你会发现在第一篇的例子中, 即使在独占模式下我们也不拥有整个屏幕,它还有标题栏,关闭按钮等一些会把你的游戏搞的一团糟的东西(虽然我们是可以在整个屏幕中绘图,但当你点击在屏幕顶端的怪物时,游戏突然退出了,你肯定很不爽,好了,我懂我意思了吧)
你可以用一些消息技巧来避免这些情况的出现,但按常规做会好些(也更简单),要得到一个没有标题栏,边框,系统菜单的窗口,你只要在调用CreateWindow时把style设为WS_POPUP即可.等等!我要在每次切换模式时销毁并重建窗口吗?不,有一个方法可以在程序运行中改变其窗口风格,现在我们就来看看:
这是两个 Windows API 函数:

LONG GetWindowLong(HWND hWnd, int nIndex);
LONG SetWindowLong(HWND hWnd, int nIndex, LONG dwNewLong);

有点少见,对吧?谁能说出他们的名字(别撒谎,我知道你说不上来)基本上, hWnd 表示你要操作的窗口句柄,nIndex表示你所需的信息的类型.如果你要为窗口设置新的特性,你把它存在dwNewLong中,你能用这两个函数做许多美妙的事情,但在这里,我们只用到nIndex的GWL_STYLE
所以,我们这样得到主窗口风格:

LONG nMainWindowStyle = GetWindowLong(hMainWnd, GWL_STYLE);

可是记住,这可是直接访问窗口风格,不像CreateWindow函数,提供了合适的默认参数,还会在你设置不当时退出.我们在使用它时要特别小心,现在AdjustWindow函数变成这样了:

void AdjustMainWindow(bool bExclusive, int nScreenWidth, int nScreenHeight)
{
static HMENU hOldMenu = NULL;

// hide the window while we're working...
ShowWindow(hMainWnd, SW_HIDE);

if( bExclusive )
{
// exclusive mode code

if( !g_bExclusive )
{
// change the style of the window
SetWindowLong(hMainWnd, GWL_STYLE, WS_POPUP);

// remove the menu and save the old menu
hOldMenu = GetMenu(hMainWnd);
SetMenu(hMainWnd, NULL);
}
}
else
{
// windowed mode code

if( g_bExclusive )
{
// change the style of the window
SetWindowLong(hMainWnd, GWL_STYLE, /* windowed mode style */);

// re-attach the old menu
if( hOldMenu )
SetMenu(hMainWnd, hOldMenu);
}

// calculate the new window rect
SIZE szDesiredClient;

szDesiredClient.cx = nScreenWidth;
szDesiredClient.cy = nScreenHeight;

RECT rcNewWindowRect = CalculateWindowRect(hMainWnd, szDesiredClient);

// resize the window according to the new rect
MoveWindow(hMainWnd, rcNewWindowRect.left, rcNewWindowRect.top,
(rcNewWindowRect.right ?rcNewWindowRect.left),
(rcNewWindowRect.bottom ?rcNewWindowRect.top), true);
}

// unhide the window now that we're done with it
ShowWindow(hMainWnd, SW_SHOW);
}
在SetWindowLong函数的/* windowed mode style */部分加上你在窗口模式下正常使用的窗口风格,独占模式的话就设为WS_POPUP.当然,我们还得在独占模式时卸掉菜单,并在转向窗口模式时加上菜单.但是注意了,我们那样简单的改变窗口风格并没有考虑到状态栏,工具栏,以及其它窗口一些组成.它只解决可以由窗口风格指定而创建的窗口组成(如标题栏)
坏消息!DIRECTDRAW不仅仅在独占模式下掌控了消息处理并处于顶端,在窗口模式下也是如此!所以在SwitchMode函数中必须先销毁窗口并重建一个普通窗口以确保WINDOW工作正常:


if( IsWindow(hMainWnd) )
DestroyWindow(hMainWnd);

以上代码销毁一个窗口(如果存在的话),所以我们可以在不丢失资源的情况下重新创建它, IsWindow 和DestroyWindow是WINDOWS API 函数,注意DestroyWindow将发送一个WM_DESTROY消息至WndProc,所以一定要把你的PostQuitMessage(0)(结束程序)函数移到WM_CLOSE或其它地方,不然,你将在每次切换模式时退出程序
好了,我们所做的这些做到了什么呢?对了,我们创建了一个可在独占与窗口模式间相互切换的系统.它相对于你的绘图代码是透明的(绘制精灵,渲染3D等等),所以任何你可在后缓冲区的画面都可在屏幕上显示.就像以前提到的,你甚至可以在此系统下做3D,只要
合适的修改CreateSurfaces 和 DestroySurfaces这 两个函数.
这有什么好处吗?我不太愿说这些,但我们的电脑的发展趋向是越来越强大的,如果摩尔定律是正确的,CPU的速度能在几个月个加倍,而3D显卡的确速度至少能快5%(好像有点讽刺意味),之外其它方面也有很多的进步.我有一些有趣的DIRECTX的老游戏,是别人花时间写的, 在窗口模式下可以和独占模式运行的一样快.现在,我可以在网上查找游戏代码,然后让它们在我机子里运行,因为我的电脑已经升级了,升级电脑可以让你得到老游戏的新特性,让它们重现价值.(所以这种切换技术会随着电脑硬件性能的加强运行的越来越流畅:译者注)
对于开发者而言,窗口模式在现在仍然有着不凡的作用.但不是每个人都是”性能nut”(一种哪怕已运行在83帧速也还想加快的人),你的游戏一般在发行3个月后肯定会过时.此外,既然你已知道哪些事是比较棘手的,你就可以写一些游戏编辑器(简单的复制你的绘图代码,想想地图编辑器),接下来要讲的是多线程与性能问题.

鼯鼠

多线程理论及性能分析
好,终于到了讨论性能问题的时候了.怎样才能让WINDOWS下的程序运行的更加高效呢?我们需要在原有代码的基础上进行改进
你可能发现从游戏向其它窗口切换在概需要1/3到1/2秒左右的的时间(很慢是吧!).所以我们有必要讲讲多线程以找到正确的方法来改进之
在WINDOWS下一个线程就像一个进程.因为虽然它们共享进程的地址空间,但调度程序却把它们当作独立的进程来处理.什么是调度程序?它是WINDOWS操作系统中十分重要的部分,总管着所有进程的运行.下面我来讲讲调度程序的工作原理吧!
举个例子,如果你的电脑的主频是600MHZ,并且你同时打开了浏览器资源管理器和控制面板3个程序.它们看起来同时运行着,但其实它们不可能真正的同时运行.每个程序在运行时必须独占的访问CPU,CACHE等系统资源.(否则你的程序肯定慢的跟爬一样,J)那么WINDOWS是怎么做的呢?它分给每个程序200MHZ(一个时间片)来运行.就是把一大块可用的时间(600MHZ)分成相等的几个时间片,各个程序在时间片中运行,当一个时间片结束了,就切换到另一个程序,如此循环往复.此时WINDOWS监视着所有打开的程序,所以当你再打开一个程序时(比如说我们的窗口切换程序),就有4个程序打开着了,此时WINDOWS就会重新分配这600MHZ处理器时间,把它分成相等的4份,即每个程序拥有150MHZ的时间片.只要WINDOWS不停止它们,它们就会按照时间片轮流执行.听起来很简单是吧,你懂了就好J总之,WINDOWS中负责安排与调度的这部分就叫做”调度程序”.
尽管如此,调度程序其实很容易被误用.WINDOWS并不知道什么时候你的程序运行,而什么时候你的程序应该暂停.对于WINDOWS来说,你的程序只不过是一个个的字节而已,根本无法说明你的程序要做什么.唯一的解决方案是让你的程序自己来决定它的执行或挂起.所以,问题出现了,因为我们共享着一个处理器,如果你的程序过了时间片还不主动挂起,就会占用其它程序的时间片,从而使它们变的相当地慢.如果你要的话,你可以占着CPU不放,但这会使WINDOWS出问题,并且让用户感觉极为不爽J.我永远也不会忘记那次经历,那次我上网看Diablo游戏策略然后想亲手试试,我只好同时打开着Diablo和那个网页,尽管Diablo是最小化的,我的450MHZ的电脑跑起来还是慢得和我以前那台老爷386一样J我甚至可以用秒来计算它重绘桌面壁纸的时间.游戏程序员们认为在DIRCTX的独占模式下他们可以像对待DOS一样来对待WINDOWS.但是不幸的是,用户们经受着痛苦(慢),而且从其独占模式转到窗口模式又引起很多问题,就像本文介绍的一样.
太多的责备与否定了.现在我们来讨论一下解决此类问题的好的方法!好,让我们先把游戏循环改写成下面这样子:

void GameLoop()
{
ProcessInput();
ProcessLogic();
ProcessGraphics();
ProcessSound();
}

我们可以做得更好些.因为这里当引擎的一部分非常慢的时候,整个游戏就慢下来了,包括声音,输入等.我们甚至会掉线因为我们用了太多的时间去处理图像而没有很好的检查网络连接.而其它机器也会因为滞后而慢下来.如果数据操作不当或程序设计不好, 玩家都有可能受到影响.(此句原文为: gameplay will suffer because of improper handling of data/poor programming,若译的有错望大家指正)
对此我们有一个简单的方法.我们已经知道有些处理必须实时运行,否则游戏就没有意义了. ProcessInput()就是这样一个处理,它处理键盘,鼠标的输入(包括多人输入),但是它和又其它功能紧紧的联系在一起(见以上GameLoop).怎么把它分离出来呢?对,我们把它放到另外一个线程中.那么什么是线程呢?它是程序在运行中产生的新的处理单位(你可以把它看成下蛋J),WINDOWS调度程序像处理独立的程序一样来处理它.但线程却又独立于产生它的进程运行.线程可以访问该程序的地址空间,当游戏循环在执行时,线程在后台运行.
那么怎样创建一个线程呢?关于这个话题另外已有一篇文章<< Separating Input from the Game Loop >>详细的介绍了这些内容.在这里作为补充来说说如何给你创建的线程分配优先级.
优先级使我们的问题复杂化,但在我看来,它所带来的好处超过它带来的复杂性.首先,这不再是一个普通的时间片,每个程序(线程)都有自己的优先级.不同的程序具有不同的优先级,举个例子,设备驱动程序可能会创建一个高优先级的线程,它首先把自己的时间让给其它线程,当它具备了所需的条件时,它就可以完全的控制系统了.当然,这也只不过是几毫秒或更少的时间,所以不会怎么影响系统.但它必须实时执行,所以当它运行时,它必须独占系统;对于像WORD这样的程序,可能会创建一个低优先级的线程来做后台打印工作.这样,只有在系统中没有其它程序运行时才会执行后台打印线程.这并不会影响你,因为当你运行其它一般的或高优先级的程序时,它就会立即挂起.所以线程优先级是一种灵活使用CPU的方法.你告诉WINDOWS你要做什么,WINDOWS就相应的为你安排好一切J
我们如何告诉WINDOWS何时要切换到另一个程序?你可以调用Sleep(0)函数.但是为什么我们的消息循环中没有这个语句,至少游戏循环中就没有?记住了, GetMessage() 其实就是SleepUntilIHaveAMessage()
但是如果你的游戏在窗口模式下,你就必须用到线程了.如果你对我之前所讲的有点头绪的话,你就可能会问:我怎样才能使用一个线程呢?好的,你首先要做的就是编写
ThreadProcedure函数,它看来有点像WinMain函数,其一般形式如下:

#define WM_THREADSTOP (WM_USER+1)

DWORD WINAPI ThreadProcedure(LPVOID lpStartupParam)
{
// get the data we passed to the thread. Note that we don't have to use this
// at all if we don't want
MYDATA* pMyData = (MYDATA*) lpStartupParam;

// access some imaginary members of MYDATA, which you can define on
// your own later
pMyData->nTime = GetCurrentTime(); // imaginary function I created
pMyData->nNumber = 5;


// here's the thread's main loop ?kind of like the main loop in WinMain
MSG msg;

for( ;; )
{
if( PeekMessage(&msg, NULL, 0, 0, PM_NOREMOVE)
{
GetMessage(&msg, NULL, 0, 0);

if( msg.message == WM_THREADSTOP )
break; // only way out of the for( ;; ) loop

TranslateMessage(&msg);
DispatchMessage(&msg);
}
else
{
// do the task ?add in your own stuff here

// yield to other threads, because we almost never get messages
// (note that we may be yielding to WinMain too)
Sleep(0);
}
}
}

注意两个要点1)线程几乎不接收消息,除非它创建了自身的窗口,对,线程可以创建并处理其自身的窗口.(想想为什么WORD2000会用起来这么爽J).但是,如果一个线程不具有自身的窗口,它不太可能会接收消息,所以我们用Sleep(0)来通知WINDOWS现在是时候把时间片让给其它线程了.如果我们不这么做, 我们和程序和主窗口就会变得特别慢,而这是不必要的.2)因为我们几乎不可能执行到PeekMessage()-GetMessage()-DispatchMessage()这段程序,所以消息处理的代码并不会降低我们程序的执行速度.
那么我为什么要加入消息循环呢(既然不会执行到它),如果我不创建线程的窗口,这不是多余吗!不,我这样做是因为这样我们就可以向线程发送我们自定义的消息了.在主程序退出前,我们必须通知线程停止执行并释放资源,这就是我为什么要自定义一个消息了,你可以把它用PostThreadMessage()把它发送给线程.注意你也必须等到线程结束(再结束主程序),所以你还要一个全局变量来判断线程是否结束:

int g_nThreadExitCount = 0;

只有当线程从主消息循环中退出时,才自增此变量并返回0;当此变量增加到你运行的线程数时,说明你所有的线程都已停止,你就可以安全的退出WinMain了.千万别用
TerminateThread函数(它不能很好的释放资源).